CN111384707A - 核电厂超高压联合开关站补充跳机装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本专利属于核电站运行领域，具体涉及核电厂超高压联合开关站补充跳机装置及方法。鉴于核电厂的特殊性，目前在国内已投产的核电厂中，还未有投入补充跳机装置的先例,因此，急需研发出一套装置。核电厂超高压联合开关站补充跳机装置,包括：两台补充跳机装置决策主机箱，四台补充跳机装置I/O机箱。核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，包括以下步骤：步骤一：判断所需执行策略；步骤二：元件投停判断；步骤三：线路跳闸判断；步骤四：元件跳闸控制判断。本专利的实施，不仅解决了某核电厂严重窝电问题，提高了机组运行的可靠性、经济性。另由于本项目在国内核电厂属首次自主设计、管理补充跳机装置，具有良好的社会示范效应。
Description
技术领域
本专利属于核电站运行领域，具体涉及核电厂超高压联合开关站补充跳机装置及方法。
背景技术
核电厂随着机组扩建，在线路、开关或母线停运检修时会造成电流超标，以某核电厂500kV开关站为例，电网核定每条线路的长期输送容量为1550MW，短时2280MW(30min)。即一条线路检修时长期输送容量为1550MW，最高不能超过2280MW，开关或母线检修时限额为3100MW。根据电力系统安全稳定导则DL755，在正常运行方式(含计划检修方式)下的电力系统受到“同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相同时跳开”等较严重的故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，应能保持稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施。
2012年国家电监会发布新的管理规定，为确保电网安全，重新定义了事故预想“N-1”准则，其中一个重要变化就是将500kV的同杆双回线路定义成一个系统元件，即同杆双回线按同时失效考虑。目前某核电厂500kV开关站中所有接入机组总输出容量380万千瓦，即使考虑线路检修安排相配串一台机组陪停，也仍有约320万千瓦送出需求，还需降出力92万千瓦，每年因检修造成窝电量约10.3亿度。除线路检修外，母线和开关检修同样也带来出力受限问题。
通过调研国内核电厂限额解决情况，国内核电厂设计带基本负荷，不参与电网负荷控制，鉴于核电厂的特殊性，目前在国内已投产的核电厂中，还未有投入补充跳机装置的先例，核安全局、电监会、国家电网及设计院等均没有这方面的经验。因此，急需研发出一套装置来解决这个矛盾。
发明内容
一.目的：
问题解决从开关站提升外送能力和降低检修期间发电容量两角度出发，分析四个根本问题，提出六种解决方案，通过比较分析方案必要性、安全性、可靠性、暂态稳定性、策略、可行性、经济性，最终研发出一套装置和方法，成功解决了核电厂输送容量受限问题。各电厂可根据自身的策略表，确保电网的安全，避免电厂有功功率震荡致发电机、变压器等设备严重损坏，在确保核安全和电网安全的基础上，能更好的发挥核电的经济效益。
二.技术方案：
本发明的技术方案如下：
核电厂超高压联合开关站补充跳机装置,包括：两台补充跳机装置决策主机箱，四台补充跳机装置I/O机箱，其特征在于：两台补充跳机装置决策主机箱分别通过专用光缆和补充跳机装置I/O机箱相连；一台补充跳机装置决策主机箱和两台补充跳机装置I/O机箱组成一套装置；两台跳机装置决策主机箱并列运行，两套装置功能完全相同，两套装置之间完全独立，互不通讯。一套装置的两组出口接点串联后送至发变组保护。
核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，包括以下步骤：
步骤一：判断所需执行策略；
步骤二：元件投停判断；
步骤三：线路跳闸判断；
步骤四：元件跳闸控制判断。
步骤一：判断所需执行策略，具体包括：根据策略表确定需切N台机组，当N在1～6范围，执行选跳机组策略，当N不在该范围，不执行选跳机组策略。执行选跳机组策略时，在允跳机组中，允跳压板投入、相应IO机箱启用；按优先级由高至低的顺序选择N台机组跳汽机，优先级1为最高；机组优先级定值的设定不影响跳机组主变高压侧控制策略。选跳机组时，最大切机台数不超过投入允跳压板的机组台数。
步骤二：元件投停判断，具体包括①线路未投入检修压板情况下满足以下任一条件则判投运:
a.至少有两相电流大于等于定值IS1(判投运和无故障跳闸电流定值)，且持续100ms；
b.有功功率大于等于PS3(线路投运功率)，且持续100ms；
c.没有故障发生，且电压大于等于Urun(判线路投运电压定值)，且持续100ms；
②线路投入检修压板即判停运，清除该线路所有异常、不再判断该线路跳闸、但正常显示模拟量。
步骤三：线路跳闸判断，具体包括：
①线路投运；
②突变量启动；
③事故前功率|P-0.2s|≥Ps1，Ps1:判无故障跳闸事故前功率定值；
④事故后功率|Pt|＜Ps2，Ps2:判无故障跳事后功率40.0MW；
⑤有两相电流I≤2％In，In:线路额定电流；
⑥有两相电流I≤Is1，Is1:判投运和无故障跳闸电流定值；
⑦无功功率Qt<0且|Qt|≥Qs，Qs:判对侧无故障跳闸事故后无功定值；
⑧电流变化量|△I|＝|Ik-Ik-0.02s|≥△Is，△Is:电流变化量定值；
⑨满足以上条件的时间大于Ts1，Ts1:判无故障时间定值；
同时满足①、②、③、④、⑤、⑧、⑨七个条件则判为本侧跳闸；
同时满足①、②、③、④、⑥、⑦、⑧、⑨八个条件则判为对侧跳闸。
步骤四：元件跳闸控制判断，具体包括：跳功能压板投入时，若出线全跳，装置跳所有允跳机组主变高压侧；
若有出线发生跳闸但出线未全跳，根据事故前系统一次运行方式、跳闸功能压板的投入情况、出线故障形式、事故前四回出线的断面潮流，查对应的故障策略表，得到需切机组台数；根据机组的允跳状态按优先级顺序选跳机组汽机。相应跳闸功能压板投入时，再查找相关策略表。
三.有益效果
(1)研发出核电厂补充跳机装置切机模式和策略及功能实现
1)设计研发适用于核电的管理模式及切机原则；2)设计两种跳闸方式——全跳和选跳，用于不同的事故模式，保证厂用电安全；3)防拒动配置：软硬件上独立的A/B列双冗余配置，任何一套装置动作出口跳机；4)防误动配置：为防止误跳闸造成正常机组被切除，设计双重“二取二”的逻辑跳闸，避免单一元件故障触发保护动作，以及电缆信号干扰触发保护。5)针对四个根本问题，研发出不同工况下的不同切机策略，并形成切机策略表，再通过软件固化到补充跳机装置中，实现补充跳机装置经策略判断后执行相应切机动作。
(2)改进汽轮发电机控制设计
某核电厂4台汽轮发电机设计为带基本负荷，只有有限一次调频能力，幅度为±20MW，未设计二次调频功能，即频率异常变化时最高的变化幅度只20MW。另，6台机组间未设计有功功率互调装置，在出线丧失工况下，4台汽轮机不能自动关闭主汽门，发电机不能自动降低出力。补充跳机装置经切机策略判断后，通过发变组保护装置的汽机跳闸保护出口动作切机，改进了汽轮发电机的控制功能，避免机组有功功率震荡，以防发电机、变压器等贵重设备严重损坏。
(3)改进汽轮发电机紧急保护系统设计
某核电厂4台汽轮发电机未设置瞬时频率异常保护，高频保护动作切断主变高压侧开关需经延时0.5s。即在出线丧失造成频率异常工况下，汽轮机组在0.5秒内没有可用信号瞬动于汽机跳闸，故障无法瞬时切除。补充跳机装置经切机策略判断后，通过发变组保护装置的汽机跳闸保护出口动作切机，改进了汽轮发电机紧急保护系统设计，避免电厂发生严重有功功率震荡，致发电机、变压器等贵重设备严重损坏。补充跳机装置还可在线路全失工况下将机组甩到孤岛运行，避免机组振荡，减少不利瞬态过程。
(4)避免电厂窝电
在线路、开关或者母线停役情况下，如发生电网事故，补充跳机装置根据预先设定的策略切除相应容量的机组，解决了电网电力消纳，解除联合开关站输送容量限制。2013年4月装置在部分功能可用后即立刻投入使用，线路检修期间不再进行输送容量限制，原定降功率92万千瓦的计划不再执行。改造后避免了开关站严重窝电现象，解除了开关站的输送容量限制，释放了核电厂发电能力，达到了预期目标。
(5)小投资创造大效益
本项目设计、采购、施工费用总计170万元，其中设备、材料采购费用(含装置、软件、继电器、电缆等)110万元，项目设计费20万，项目施工费用40万元。除本方案外，其他方案都需要上千万元的年费用，如方案2年费用2709万元，方案4年费用9921万元，方案5年费用14339万元。相比窝电量损失和其他方案，节省了大量的设备投入费用。
补充跳机装置改造后每年某核电厂6台机满功率发电不再受线路、母线或者开关停役而导致输送容量的限制，根据分析年平均释放发电能力约10.3亿千瓦时，按照0.4元/度计算效益，直接增加4.12亿元的效益。
4号、1号、2号机、3号机组分别于2013年3月、2013年4月、2013年6月、2013年11月完成了研发改进。通过增加补充跳机装置，确保了电厂核安全和电网安全，并挖掘出现有设备的潜力，提高电厂的经济性，充分发挥核电的经济效益。
(6)避免机组陪停，大修窗口混乱
某核电厂目前为18个月换料方式，即每1.5年要进行停堆换料，考虑迎峰度夏安排，一般将机组大修换料安排在上半年和下半年，但若因稳定限额原因，需在检修线路时陪停机组，将致已安排的机组大修窗口变化，可导致大修窗口落入迎峰度夏期间或未到换料周期实施弃料，造成铀资源浪费。
(7)良好社会示范效应
本项目的实施，不仅解决了某核电厂严重窝电问题，提高了机组运行的可靠性、经济性。另由于本项目在国内核电厂属首次自主设计、管理补充跳机装置，具有良好的社会示范效应，国内其他核电厂也同样面临出线紧张等问题，可以将经验推广到国内其他核电厂。
附图说明
图1是本发明的补充跳机装置配置示意图
图2是本发明补充跳机装置设计逻辑图
图3核电厂超高压联合开关站补充跳机方法流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本专利进行详细描述：
核电厂超高压联合开关站补充跳机装置,包括：两台补充跳机装置决策主机箱，四台补充跳机装置I/O机箱；两台补充跳机装置决策主机箱分别通过专用光缆和补充跳机装置I/O机箱相连；一台补充跳机装置决策主机箱和两台补充跳机装置I/O机箱组成一套装置；两台补充跳机装置决策主机箱并列运行，两套装置功能完全相同，两套装置之间完全独立，互不通讯。一套装置的两组出口接点串联后送至发变组保护。
防拒动设计：500kV联合开关站补充跳机装置的控制主站双机配置，并列运行，两套装置功能完全相同，两套装置之间完全独立，互不通讯。各执行站也单独配置，互相独立判断、执行和出口，两套装置只要有一套正常即可正常切机。
防误动设计：500kV联合开关站补充跳机装置主站或子站的出口信号按照“二取二”的逻辑配置，即一套装置的两组出口接点串联后送至发变组保护，以提高动作的可靠性，类似的设计在核电厂也多有应用。
导致联合开关站送出受限的主要原因是线路检修，补充跳机装置切机策略由常规岛发变组保护装置实现，出口跳闸方式五(汽机跳闸)是发变组保护设计已有动作方式，信号发送到汽轮机保护系统(GSE)，动作于关闭汽轮机主汽门，调门，再热主汽门，再热调门，迅速将冲动汽源切除，随后发电机正向低功率保护动作跳开发电机出口断路器，实现发电机与电网的分离。上述动作均为汽轮发电机组设计能够承受的瞬态，其动作不会对常规岛汽轮发电机组等重大设备造成损坏。甩孤岛运行即满功率直接跳主变高压侧断路器与电网解列，发电机带厂用电运行，这种方式解列速度快且可以不停机不停堆等待并网，一旦电网允许即可并网，经济损失小。
核电机组与电网解列可根据不同的故障类型采用跳汽轮机、跳发电机出口断路器并灭磁或甩孤岛运行方式。其中跳汽轮机和正常停机逻辑一致，先关闭主气门，待正向低功率保护动作后再跳开发电机出口断路器并灭磁，这种方式相比直接跳发电机出口断路器并灭磁对发电机出口断路器的损伤要小。上述两种方式不会造成主变停役，可保证核电厂外部主电源完整。
具体实施方式如下：
补充跳机装置功能在于检测线路的功率，即通过测量线路侧的CT一次电流I，线路侧的PT一次电压U，经P＝U╳I╳COSΦ╳1.732计算得出实时功率，以此监测线路运行状态；装置再根据不同工况下功能压板、检修方式压板，不同开关状态的判断，将实时检测出的功率值与预先整定好的定值进行对比，当实时功率值大于预先整定值时，根据允跳压板状态、跳机台数，选择需要切除的相应机组，执行跳机命令。当判断500kV送出线路跳闸故障，若送出线路全部跳开，装置跳所有机组主变高压侧开关；若送出线路未全部跳开，根据实际情况查有关策略表，根据机组优先级顺序及允跳压板投退情况选择相应机组跳汽机。因此，在安装补充跳机装置后，可以较为彻底地解决某核电厂联合开关站的送出受限问题。
元件投停判断：
①线路未投入检修压板情况下满足以下任一条件则判投运:
a.至少有两相电流大于等于定值IS1(判投运和无故障跳闸电流定值)，且持续100ms。
b.有功功率大于等于PS3(线路投运功率)，且持续100ms。
c.没有故障发生，且电压大于等于Urun(判线路投运电压定值)，且持续100ms。
②线路投入检修压板即判停运，清除该线路所有异常、不再判断该线路跳闸、但正常显示模拟量。
线路跳闸判据：
①线路投运
②突变量启动
③事故前功率|P-0.2s|≥Ps1(Ps1:判无故障跳闸事故前功率定值)
④事故后功率|Pt|＜Ps2(Ps2:判无故障跳事后功率40.0MW)
⑤有两相电流I≤2％In(In:线路额定电流)
⑥有两相电流I≤Is1(Is1:判投运和无故障跳闸电流定值)
⑦无功功率Qt<0且|Qt|≥Qs(Qs:判对侧无故障跳闸事故后无功定值)
⑧电流变化量|△I|＝|Ik-Ik-0.02s|≥△Is(△Is:电流变化量定值)
⑨满足以上条件的时间大于Ts1(Ts1:判无故障时间定值)
同时满足①、②、③、④、⑤、⑧、⑨七个条件则判为本侧跳闸。
同时满足①、②、③、④、⑥、⑦、⑧、⑨八个条件则判为对侧跳闸。
元件跳闸控制策略
全跳功能压板投入时，判断是否出线全跳，(1)若出线全跳，则判断全跳功能压板是否投入，若投入，则跳所有允跳机组主变高压侧，结束出线跳闸判断；若不投入，出线跳闸策略判断结束；(2)若不出线全跳，则判断是否满足全跳功能策略事故前系统运行方式；2.若满足全跳功能策略事故前系统运行方式，则判断全跳功能压板是否投入，(1)若全跳功能压板投入，则查询全跳功能压板对应选跳策略表，根据查表结果选跳机组汽机，结束出线跳闸判断；(2)若全跳功能压板不投入，则结束出线跳闸判断。
若不满足全跳功能策略事故前系统运行方式，则对下列步骤进行判断：出线对应断面是否断开，相邻断面方向选跳功能压板是否投入，是否满足相邻断面方向选跳功能策略事故前系统运行方式、路检修压板投入状态；若均为是的话，则查询相邻断面选跳功能压板对应选跳策略表，根据查表结果选跳机组汽机。出线跳闸策略判断结束；若有一步为否的话，则出线跳闸策略判断结束。
Claims (9)
1.核电厂超高压联合开关站补充跳机装置,包括：两台补充跳机装置决策主机箱，四台补充跳机装置I/O机箱，其特征在于：两台补充跳机装置决策主机箱分别通过专用光缆和补充跳机装置I/O机箱相连；一台补充跳机装置决策主机箱和两台补充跳机装置I/O机箱组成一套装置；两台补充跳机装置决策主机箱并列运行，两套装置功能完全相同，两套装置之间完全独立，互不通讯。
2.如权利要求1所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机装置,其特征在于：所述的一套装置的两组出口接点串联后送至发变组保护。
3.核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：判断所需执行策略；
步骤二：元件投停判断；
步骤三：线路跳闸判断；
步骤四：元件跳闸控制判断。
4.如权利要求3所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的步骤一：判断所需执行策略，具体包括：根据策略表确定需切N台机组，当N在1～6范围，执行选跳机组策略，当N不在该范围，不执行选跳机组策略。
5.如权利要求4所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的执行选跳机组策略时，在允跳机组中，允跳压板投入、相应IO机箱启用；按优先级由高至低的顺序选择N台机组跳汽机，优先级1为最高；机组优先级定值的设定不影响跳机组主变高压侧控制策略。选跳机组时，最大切机台数不超过投入允跳压板的机组台数。
6.如权利要求3所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的步骤二：元件投停判断，具体包括1线路未投入检修压板情况下满足以下任一条件则判投运:
a.至少有两相电流大于等于定值IS1(判投运和无故障跳闸电流定值)，且持续100ms；
b.有功功率大于等于PS3(线路投运功率)，且持续100ms；
c.没有故障发生，且电压大于等于Urun(判线路投运电压定值)，且持续100ms；
②线路投入检修压板即判停运，清除该线路所有异常、不再判断该线路跳闸、但正常显示模拟量。
7.如权利要求3所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的步骤三：线路跳闸判断，具体包括：
①线路投运；
②突变量启动；
③事故前功率|P-0.2s|≥Ps1，Ps1:判无故障跳闸事故前功率定值；
④事故后功率|Pt|＜Ps2，Ps2:判无故障跳事后功率40.0MW；
⑤有两相电流I≤2％In，In:线路额定电流；
⑥有两相电流I≤Is1，Is1:判投运和无故障跳闸电流定值；
⑦无功功率Qt<0且|Qt|≥Qs，Qs:判对侧无故障跳闸事故后无功定值；
⑧电流变化量|△I|＝|Ik-Ik-0.02s|≥△Is，△Is:电流变化量定值；
⑨满足以上条件的时间大于Ts1，Ts1:判无故障时间定值；
同时满足①、②、③、④、⑤、⑧、⑨七个条件则判为本侧跳闸；
同时满足①、②、③、④、⑥、⑦、⑧、⑨八个条件则判为对侧跳闸。
8.如权利要求3所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的步骤四：元件跳闸控制判断，具体包括：1.全跳功能压板投入时，判断是否出线全跳，(1)若出线全跳，则判断全跳功能压板是否投入，若投入，则跳所有允跳机组主变高压侧，结束出线跳闸判断；若不投入，出线跳闸策略判断结束；(2)若出线不全跳，则判断是否满足全跳功能策略事故前系统运行方式；2.若满足全跳功能策略事故前系统运行方式，则判断全跳功能压板是否投入，(1)若全跳功能压板投入，则查询全跳功能压板对应选跳策略表，根据查表结果选跳机组汽机，结束出线跳闸判断；(2)若全跳功能压板不投入，则结束出线跳闸判断。
9.如权利要求8所述的核电厂超高压联合开关站补充跳机方法，其特征在于：所述的判断是否满足全跳功能策略事故前系统运行方式，若不满足全跳功能策略事故前系统运行方式，则对下列步骤进行判断：出线对应断面是否断开，相邻断面方向选跳功能压板是否投入，是否满足相邻断面方向选跳功能策略事故前系统运行方式、线路检修压板投入状态；若均为是的话，则查询相邻断面选跳功能压板对应选跳策略表，根据查表结果选跳机组汽机。出线跳闸策略判断结束；若有一步为否的话，则出线跳闸策略判断结束。
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